Предлагаемый вариант зарядного устройства на микросхеме LM317 предназначен в первую очередь для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) в шуруповёртах. Но это устройство можно с успехом применить для зарядки аккумуляторных батарей и отдельных аккумуляторов других типов, а также в лабораторном источнике питания как стабилизатор напряжения с защитой по току.
Шуруповёрты с автономным питанием от Ni-Cd АКБ широко распространены и пользуются популярностью у радиолюбителей. При интенсивной эксплуатации батарея сравнительно быстро выходит из строя. Для их замены очень часто используют Li-ion аккумуляторы. Это потребует доработки штатного или приобретения нового ЗУ.
В случае доработки предлагается изготовить отдельный зарядный модуль, схема которого показана на рис. 1. Он обеспечивает зарядку АКБ по алгоритму CC-CV (Constant Current - Constant Voltage, постоянный ток - постоянное напряжение). Модуль собран на стабилизаторе DA1 LM317T (отечественный аналог КР142ЕН12А) с регулируемым выходным напряжением по типовой схеме [1] и позволяет заряжать при подключённом к разъёму Х1 внешнем БП от одного до пяти Li-ion аккумуляторов, соединённых последовательно в батарею, или одну гелевую свинцовокислотную батарею с номинальным напряжением 6 или 12 В. С этой целью установка конечного напряжения и зарядного тока осуществляется с помощью подстроечных резисторов. Значение конечного напряжения зарядки (от 4,2 до 21 В) устанавливают подстроечным резистором R8. Из [1] (Figure 13) взят и узел ограничения тока зарядки. Он собран на транзисторе VT2 и резисторах R4-R6. Датчики тока собраны на резисторах R2 и R5. Подстроечным резистором R4 устанавливают начальный ток зарядки в интервале от 0,6 до 1,5 А. Стабильность начального тока до достижения конечного напряжения зарядки обеспечена наличием ООС через узел ограничения. При увеличении тока зарядки транзистор VT2 уменьшит своё внутреннее сопротивление, что приведёт к снижению напряжения на АКБ и восстановлению тока до установленного значения, и наоборот.
Рис. 1. Схема зарядного модуля
По достижении на АКБ конечного напряжения закончится первая фаза процесса зарядки стабильным током. Батарея (или аккумулятор) к этому моменту "наберёт" ёмкость, равную 80...90 % от максимальной, и начнётся вторая фаза - дозарядка спадающим током при стабильном напряжении. Для контроля над её окончанием на транзисторе VT1, резисторах R1-R3 и светодиоде HL1 собран узел индикации. Работа подобного узла автором была описана ранее в [2]. По мере снижения тока зарядки напряжение на резисторе R2 уменьшается. Когда напряжение на резисторе упадёт примерно до 0,5 В, транзистор VT1 закроется и светодиод погаснет. Это служит сигналом того, что АКБ зарядилась полностью. Сопротивление резистора R2 определяют из формулы R2 (Ом) = 0,5/Iк, где Iк - конечный ток зарядки в амперах.
Для Li-ion аккумуляторов Iк= 0,1·Iнач, где Iнач - начальный ток зарядки. Кислотным АКБ ток Iнач в амперах устанавливают численно равным 0,1...0,2·С, где С - ёмкость батареи в ампер·часах. При этом ток Iк можно установить численно равным от 0,01·С до 0,02·С.
Транзисторы VT1, VT2 - любые кремниевые маломощные структуры n-p-n. Диод VD1 - выпрямительный с максимально допустимым током 3 А. Светодиод - маломощный сверхъ-яркий любого свечения. Конденсатор С1 - керамический или плёночный, С2 - оксидный К50-35 или импортный. Резистор R5 - проволочный SQP-5, подстроечные R4, R8 - многооборотные, например, проволочные СП5-2 или импортные 3296P (Bourns), осталь-ные - МЛТ, С2-23. Резистор R4 можно заменить другим с номинальным сопротивлением до 500 Ом. При применении резистора R8 сопротивлением 4,7 или 5 кОм сопротивления резисторов R7 и R9 должны быть 750 и 330 Ом соответственно. Гнездо питания - DS-313 1,3x4,2 мм угловое на плату.
Чертежи печатной платы и расположение элементов приведены на рис. 2. Вариант чертежа печатной платы с подстроечными резисторами СП5-3 (с проволочными гибкими выводами) приведён на рис. 3. Конструктивное исполнение модуля с установленными подстроечными резисторами СП5-3 показано на рис. 4. Микросхема LM317T закреплена винтом М3 на ребристом теплоотводе размерами 15x60x60 мм через пластмассовую втулку и теплопроводящую электроизоляционную подложку. Выводы микросхемы (предварительно изогнутые) вставлены в предусмотренные на плате отверстия со стороны установки элементов и припаяны к контактным площадкам. В теплоотводе сделаны четыре резьбовых отверстия М3, в которые закручены четыре стойки PCSN-10 высотой 10 мм. Плата крепится на стойках четырьмя винтами М3. Сторона платы с установленными элементами обращена к теплоотводу. Для снятия платы без отпайки выводов микросхемы, напротив винта её крепления в плате, предусмотрено отверстие.
Рис. 2. Чертеж печатной платы и расположение элементов
Рис. 3. Вариант чертежа печатной платы с подстроечными резисторами СП5-3
Рис. 4. Конструктивное исполнение модуля с установленными подстроечными резисторами СП5-3
Подойдут теплоотводы от процессоров Pentium III со старых материнских плат с гнездом Socket 370, но их конструкцию придётся доработать. Потребуется изготовить алюминиевую пластину-переходник размерами 60x60 мм толщиной 1,5 мм. Поверхности пластины и теплоотвода с нанесённой между ними теплопроводящей пастой скрепляют двумя винтами впотай. Затем, как описано выше, к этому "бутерброду" с помощью стоек и винтов крепят плату.
Блок питания (БП), преобразующий переменное напряжение сети в постоянное, должен иметь минимальное выходное напряжение на 5 В больше конечного напряжения зарядки при токе нагрузки не менее начального тока зарядки. Если не подойдёт БП штатного ЗУ, следует применить другой подходящий, в том числе и лабораторный БП.
При значительно большей разнице указанных напряжений и нагреве теплоотвода более 60 оС на нём следует установить вентилятор обдува. Подойдёт кулер от теплоотвода процессора материнских плат. На рис. 1 подключение вентилятора M1 выделено красным цветом. На печатной плате для резистора R10 и выводов вентилятора предусмотрены печатные проводники и контактные площадки.
Для исключения перегрузки по току стабилизатора LM317T при первом включении движок резистора R4 до монтажа на плату необходимо установить в среднее положение с помощью омметра.
Налаживание модуля производят в следующей последовательности. Сначала его без нагрузки подключают к БП и движком резистора R8 устанавливают на выходе требуемое конечное напряжение зарядки. Для свинцово-кислотных АКБ его значение указано на боковой стороне корпуса, в прилагаемой инструкции или на сайте изготовителя. Далее к выходу модуля через амперметр подключают, соблюдая полярность, частично или полностью разряженную АКБ и движком резистора R4 устанавливают необходимый начальный ток зарядки. При установке вентилятора напряжение его питания 9...12 В изменяют подборкой резистора R10.
Модуль зарядки может найти применение в лабораторном БП (особенно, если он нестабилизированный) как источник питания с регулируемым стабилизированным выходным напряжением и защитой от перегрузки по току. При этом минимальное выходное напряжение может быть равным 1,25 В, для этого взамен резистора R7 следует установить проволочную перемычку, подстроечные резисторы заменить переменными и снабдить их соответствующими шкалами.
Литература
1. LM117/LM217/LM3171,2V to 37V Adjustable voltage regulator. - URL: http://lib.chipdip.ru/159/DOC000159840.pdf (24.06.19).
2. Глибин С. Зарядное устройство для малогабаритного Li-ion аккумулятора. - Радио, 2014, № 2, с. 53, 54.
Автор: С. Глибин, г. Москва